包括用于传递雷电流并且用于提供EMF屏蔽的接地系统的风力涡轮机的制作方法

本发明涉及风力涡轮机的领域，该风力涡轮机配备有发电机和接地系统，该接地系统用于传递在该风力涡轮机处产生的雷电流。具体而言，本发明涉及一种接地系统，其能够将在风力涡轮机的叶片处接收的雷电流通过或围绕风力涡轮机的发电机传递至地。此外，本发明还涉及一种接地系统，其传递雷电流并且同时提供风力涡轮机的发电机的电磁场（emf）屏蔽。而且，本发明还涉及一种用于制造风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括发电机和接地系统，该接地系统用于传递雷电流并且提供emf屏蔽。

背景技术：

风力涡轮机位于海上或陆上，并且比附近的房屋或树木高，以便由风能产生电能。因此，风力涡轮机由于其高度而易于遭受雷击。如果风力涡轮机被雷击击中，则雷电流流动通过风力涡轮机的叶片并且通过用于将风能转换成电能的发电机。这意味着风力涡轮机中使用的发电机和其他电子部分可能由于雷电流而受到损伤。此外，在雷击之后流过风力涡轮机的雷电流引起电磁场，该电磁场可干扰发电机自身或发电机外部的其他部件的电磁场。

可能需要保护风力涡轮机的发电机免受雷电流影响，并且提供发电机的emf屏蔽。

技术实现要素：

该需要可以通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括轮毂，转子叶片可布置到所述轮毂，其中，所述轮毂可围绕旋转轴线旋转。所述风力涡轮机还包括发电机，其包括转子布置结构和定子布置结构，其中，所述转子布置结构和所述定子布置结构可围绕旋转轴线相对于彼此旋转。所述转子布置结构被耦接到所述轮毂。此外，所述风力涡轮机还包括可固定到所述风力涡轮机的机舱的接地系统，其中，所述接地系统被构造成用于在所述转子布置结构和所述机舱之间传递雷电流，并且用于提供所述发电机的emf屏蔽。所述发电机沿所述轮毂的旋转轴线布置在所述轮毂和所述接地系统之间。

本发明的该方面基于如下思想，即：风力涡轮机需要能够在不损伤风力涡轮机的情况下将雷电流传递到地。所述接地系统中还包括发电机的emf屏蔽功能。雷电流通常从叶片传递到轮毂，并且通过发电机和/或机舱，并通过风力涡轮机的塔架传递到地。当被雷击击中时，电气和机械部分，特别是将风能转换成电能的发电机，可能会受到损伤。通过为风力涡轮机配备将雷电流传递到地的接地系统来降低损伤的风险。

为此目的，并且根据本发明的实施例，接地系统被布置在风力涡轮机处，该接地系统在发电机与例如机舱的风力涡轮机部件之间传递雷电流，而不会造成对发电机的损伤。风力涡轮机可被改装成具有这样的接地系统，以便保护风力涡轮机免受雷击的影响。

根据本发明的一种方法，通过将风力涡轮机的发电机布置在轮毂与该接地系统之间，雷电流从发电机转子的外部通过该接地系统传递到地。该接地系统可被整合在风力涡轮机内，即机舱内，这仅将造成较小的设计更改。此外，通过将该接地系统包含在机舱内，而不是将其附接在外侧上，可实现更容易的维护。所包含的用于传递雷电流的接地系统还提供发电机的emf屏蔽。通过用由导电或磁性部件制成的屏障来阻挡电磁场，电磁屏蔽减少了确定区域中的电磁场。该屏蔽可减少无线电波、电磁场和静电场的耦合。这意味着，可减小发电机内部的电磁场，并且还可最小化例如由发电机的定子内部的场引起的发电机外部的电磁场。因此，可减小对发电机和来自发电机的环境影响。

所述发电机用于将机械能、即风能转换成电能。特别地，所述发电机可以是用于直接驱动式风力涡轮机的发电机。所述发电机包括定子和转子，两者均围绕转子的旋转轴线周向延伸。结合本发明使用并且可配备有用于接地系统的部分和/或连接的的优选的发电机可以是所谓的内定子-外转子构造的发电机，该接地系统用于传递雷电流。根据该内定子-外转子构造，转子组件相对于定子径向向外定位，并且围绕定子组件旋转。由此，在操作中，在定子的位置处引起随时间变化的磁通量，使得产生电磁场。在这方面，要提到的是，在本发明的其他实施例中，外定子-内转子构造的发电机也可配备有所述接地系统。

术语“转子布置结构”可特别地表示发电机的可旋转结构。该转子布置结构随着旋转轴围绕发电机的旋转轴线旋转。该转子布置结构通常包括多个磁体元件。在本发明的优选实施例中，转子布置结构是外部转子布置结构，使得该转子布置结构可围绕定子布置结构旋转。本发明的其他实施例可使用内部转子布置结构，其中，该转子布置结构可在定子布置结构内部旋转。此外，所述轮毂被耦接到旋转轴。本发明的其他实施例可使用具有内部旋转轴、内部定子但具有外部转子的发电机设计。

术语“定子布置结构”可特别地表示发电机的固定结构。该转子布置结构围绕该定子布置结构（外部转子布置结构）或在该定子布置结构内部（内部转子布置结构）旋转。该定子布置结构通常包括多个线圈/绕组，转子的旋转磁体在该多个线圈/绕组中感生电压。该定子布置结构可由静态轴、即定子框架来支撑，该静态轴由机舱来支撑。

所述接地系统被构造成用于传递雷电流和/或用于提供电磁（emf）屏蔽。所述接地系统特别是构造成用于在转子布置结构与风力涡轮机的坚固的静态部分之间传递电流，所述静态部分例如风力涡轮机的定子框架结构、机舱和/或塔架。所述接地系统可包括导电轴承，例如滚珠轴承或滑动轴承，用于在转子布置结构和风力涡轮机的支撑定子框架之间传递电流。此外，所述接地系统还可被构造成在所述轴承周围传导雷电流，以避免轴承故障。此外，例如，如下所述，所述接地系统可包括导电刷元件。

根据本发明的方法，发电机被布置在轮毂和接地系统之间，使得发电机在一个轴向端处面向轮毂并且在相对的轴向端处面向接地系统。换句话说，发电机被布置在轮毂和接地系统之间。因此，所述接地系统被布置在发电机的轴向内端处，该轴向内端是相对于发电机的面向轮毂的轴向外端的相对端。因此，所述接地系统将电流从转子布置结构传递到风力涡轮机的静态部分，例如风力涡轮机的静态轴、定子框架或机舱。根据本发明的另一实施例，发电机的转子布置结构在轮毂和接地系统之间延伸，使得定子布置结构被轮毂、转子布置结构和接地系统收容。

术语“收容”可特别地表示轮毂、转子布置结构和接地系统形成发电机的壳体。特别地，发电机定子可在一侧上被轮毂和转子布置结构包封，并且在另一侧处被接地系统包封。具体而言，转子布置结构的形成壳体的一部分的部分是转子布置结构的外侧。在该实施例中，转子布置结构是外部转子布置结构，使得转子布置结构的外壳或外壳体是发电机的外侧。换句话说，发电机被导电部分、即轮毂、转子布置结构的外侧和接地系统围绕，使得这些导电部分形成导电壳体（所谓的法拉第笼）。该导电壳体阻挡由雷击引起的作用在发电机组件上的电磁场。该导电壳体减小了当风力涡轮机被闪电击中时将由于流过风力涡轮机的雷电流而产生的发电机内部的电磁场。

通常，在风力涡轮机中，轮毂通过旋转轴来连接到转子组件。例如，轮毂通过螺栓连接来耦接到旋转轴。该螺栓连接和该旋转轴可以是发电机的传动系的一部分，其使发电机的转子布置结构旋转。在发电机的面向轮毂的轴向端上，轮毂的螺栓连接和转子布置结构形成导电壳体（法拉第笼）的一部分。雷电流将通过叶片传递到轮毂，进一步传递到该螺栓连接到转子布置结构，并且从转子布置结构通过接地系统传递到风力涡轮机的塔架并传递到地。

在本发明的另一个实施例中，可使用内部转子布置结构和外部定子布置结构。在这种发电机构造中，定子布置结构并且特别是定子壳体形成发电机的外部部分。内部转子布置结构被耦接到轮毂，这是因为轮毂是将轮毂的旋转运动传递到转子布置结构的部分。

根据本发明的另一实施例，所述接地系统包括可布置在转子布置结构处的第一接触元件和布置在机舱处（或布置到上面提到的静态定子轴或定子框架）的第二接触元件，使得形成第一接触元件和第二接触元件之间的滑动接触。

术语“滑动接触”可特别地表示第一接触元件和第二接触元件之间的电接触，其中，第一接触元件和第二接触元件相对于彼此旋转。

通过将第一接触元件布置在转子布置结构处并且将第二接触元件布置在机舱或定子框架处，提供了电连接或传导线，该电连接或传导线能够将雷电流从转子布置结构传递到机舱并进一步传递到地。然后，雷电流不通过定子布置结构传递。

特别地，第一接触元件例如被布置在转子布置结构的径向内表面处。

在根据本发明的另一个示例性实施例中，转子布置结构的径向内侧可限定第一接触元件。第二接触元件可沿转子布置结构的径向内侧滑动。

第二接触元件可被布置在定子框架处，其中，该定子框架可固定到风力涡轮机的机舱。雷电流可在转子布置结构、即第一接触元件、第二接触元件和定子框架和/或机舱之间传递到地。第一接触元件可以是滑动接触的移动部分，并且第二接触元件可以是滑动接触的固定部分，或者反之亦然。

根据本发明的另一实施例，第一接触元件或第二接触元件是电刷。该电刷可由金属线制成并且用作接触元件。通过将电刷用作滑动接触件，可获得可靠的电接触。该电刷自身被用作可在固定部分和移动部分之间传导电流的装置。该电刷可由石墨和/或铜构成。如果该电刷磨损，则可在保养间隔时内容易地用新电刷来替换该电刷。

根据本发明的另一实施例，第一接触元件或第二接触元件是（导电、金属的）网状元件。该网用于将雷电流传导到定子框架、机舱和/或风力涡轮机的塔架，使得雷电流被传递到地。通过使用金属网，提供了电磁屏蔽。电磁场的阻尼系数和/或电磁波的特定频率还取决于所使用的网材料的厚度、尺寸和体积。特别地，可预先限定网开口的尺寸和密度，以便调整电磁波的特定频率的阻尼特性。

根据本发明的优选实施例，安装到转子布置结构的第一接触元件是电刷，并且安装到机舱和定子框架的第二接触元件相应地是网状元件。该电刷与布置在定子框架或机舱处的网滑动接触。

在另一个优选实施例中，电刷形成第二接触元件的一部分，其中，第一接触元件由转子布置结构的径向内侧形成。此外，第二接触元件可包括电刷和网状元件。在这种构造中，第二接触元件的电刷元件与转子布置结构的径向内侧直接滑动接触。

根据另一示例性实施例，第一接触元件是网状元件，并且第二接触元件是电刷。此外，第一接触元件可包括电刷和网状元件，其中，第二接触元件可以是定子框架或机舱的一部分。在这种构造中，可在电刷和定子框架（或机舱）自身之间提供滑动接触。

根据本发明的另一实施例，所述网状元件包括导线，这些导线隔开，使得它们形成网孔。该网包括多个导线，特别是多个金属线。这些导线被布置成具有预定的距离，使得它们隔开。特别地，第一多个导线平行布置，并且同时第二多个导线被布置成使得它们彼此交叉。通过这种布置结构，形成导线之间的孔。

该网被用于传导雷电流，并且减小来自定子的辐射电磁场。取决于需要减小哪些频率，需要使用预定的孔尺寸。

为了减小特定的电磁波长，网中的孔必须小于需要减小的波长。

根据本发明的另一实施例，所述接地系统包括附接到第一接触元件或第二接触元件的金属环。该金属环可用作接触元件，其提供接触元件的另一部分可附接到的表面。该金属环可用于在其上附接电刷和/或网。另一方面，该金属环可提供用于形成用于滑动接触的适当滑动表面的表面。该金属环可以是能够固定到第一或第二接触元件的。例如，如果电刷是第一接触元件，则金属环可被固定在例如包括网的第二接触元件处，使得电刷与处于网处的金属环滑动接触。

此外，该金属环还可在第一元件和转子布置结构之间提供接触，其中，该金属环可被附接到转子布置结构的径向内侧，使得提供用于第一接触元件（电刷或网）的附接表面。

根据本发明的另一实施例，第一接触元件或第二接触元件包括围绕所述旋转轴线沿周向方向延伸的电刷布置结构，其中，该电刷布置结构包括形成滑动接触的隔开的电刷组。

该电刷布置结构可包括彼此相邻布置的电刷，其中，这些电刷形成连续的电刷环。换句话说，第一接触元件可以是围绕所述旋转轴线周向延伸并且附接到转子布置结构的电刷环。在示例性实施例中，第二接触元件也可以是电刷环。

该电刷布置结构可包括彼此隔开的电刷，其中，该电刷布置结构包括至少两个电刷。此外，该电刷布置结构可包括多个电刷组，其中，一个电刷组包括至少一个电刷（或者还包括多于一个电刷）。该电刷组可周向布置成以确定的距离隔开。在每个隔开的电刷（或电刷组）之间距离可相等。此外，电刷组可按如下方式布置，即：使得该多个电刷组中的至少一个电刷组提供用于传递雷电流的电接触。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造风力涡轮机的方法。该方法包括将转子叶片布置在轮毂处，其中，该轮毂可围绕旋转轴线旋转。此外，该方法还包括布置包括转子布置结构和定子布置结构的发电机，其中，所述转子布置结构和所述定子布置结构可围绕旋转轴线相对于彼此旋转。该方法还包括将转子布置结构耦接到轮毂，并且将接地系统固定到风力涡轮机的机舱。所述接地系统被构造成用于在所述转子布置结构和所述机舱之间传递雷电流，并且用于提供所述发电机的emf屏蔽。此外，所述方法还包括将所述发电机沿所述轮毂的旋转轴线布置在所述轮毂和所述接地系统之间。

如果风力涡轮机配备有用于在转子布置结构和机舱之间传递雷电流的接地系统，则可保护电子部分、特别是发电机免受雷电流的损伤。因此，可维持风力涡轮机的操作和发电机的性能。特别地，通过将发电机布置在风力涡轮机的轮毂和接地系统之间，雷电流在发电机的外表面上传递到地，而不是通过发电机自身。

需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考方法类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考设备类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上面和下面的描述获悉，除非另有说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为利用本文档公开。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的配备有发电机和接地系统的风力涡轮机。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的配备有发电机和接地系统的风力涡轮机的剖面。

图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的配备有发电机和接地系统的风力涡轮机的剖面。

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的呈外定子内转子构造的风力涡轮机的剖面。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件或特征配有相同的附图标记，或者配有仅在第一数位内与相对应的附图标记不同的附图标记。为了避免不必要的重复，已关于先前描述的实施例说明过的元件或特征不会在本说明书中后面的位置处再次说明。

此外，例如“前”和“后”、“上”和“下”、“左”和“右”之类的空间相对术语被用于描述如图中所示的元件与另一个元件的关系。因此，这些空间相对术语可适用于不同于图中所描绘的定向的使用中的定向。显然，所有这些空间相对术语仅是为了便于描述而参考图中所示的定向，并且不一定是限制性的，因为根据本发明的实施例的设备当在使用中时可采用与图中所示的那些定向不同的定向。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的风力涡轮机100。该风力涡轮机100包括塔架101，其被安装在未描绘出的基座上。在塔架101的顶部上布置有机舱103。在机舱103和塔架101之间设置有偏摆角调整装置107，该偏摆角调整装置107能够使机舱103围绕未描绘出的竖直轴线旋转，该竖直轴线与塔架101的纵向延伸部对准。风力涡轮机100还包括具有例如三个叶片102的风力转子104。该风力转子104可围绕旋转轴线120旋转。安装到轮毂105的叶片102相对于旋转轴线120径向延伸。旋转轴线120形成发电机110、特别是转子布置结构112的旋转轴线。

在机舱103中布置有发电机110。该发电机110包括定子布置结构112和转子布置结构111。风力转子104借助于轮毂105和传动系106与转子布置结构111旋转地耦接。

根据所示实施例，发电机110被实现为具有所谓的内部定子布置结构112和外部转子布置结构111的构造。风力涡轮机100还配备有接地系统113，其用于通过风力涡轮机100传递雷电流，并且用于提供发电机的emf屏蔽。该接地系统113被布置在风力涡轮机100的机舱103中。雷电流在转子布置结构111和机舱103之间传递。如从图1可以看到的，发电机110沿轮毂105的旋转轴线120布置在轮毂105和接地系统113之间。

还要提到的是，风力涡轮机100是所谓的直接驱动式风力涡轮机，其中，在风力转子104和发电机110处的转子布置结构111之间未设置齿轮箱。然而，要提到的是，发电机110也可通过齿轮箱来间接驱动。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的包括接地系统113的风力涡轮机100的剖面。风力转子104和发电机110被示意性地示出。如从图2可以看到的，转子布置结构111在轮毂105和接地系统113之间延伸，使得定子布置结构112被轮毂105、转子布置结构111和接地系统113收容。布置在风力涡轮机100中的接地系统113包括耦接到转子布置结构111的第一接触元件214和耦接到机舱103的第二接触元件215。形成第一接触元件214和第二接触元件215之间的滑动接触。如在图2中可以看到的，第二接触元件215被固定到定子框架218，并且包括电刷和网状元件215。图2中的第一接触元件214由转子布置结构111自身的径向内侧形成。因此，在转子布置结构111与第二接触元件215之间提供了滑动接触，该第二接触元件215特别是布置在网状元件的径向外端处的电刷。根据该实施例的第二接触元件215还包括金属环216，其被布置在电刷和网状元件之间。雷电流从轮毂105传递到转子布置结构111，经由所述滑动接触传递到电刷、金属环216、网状元件，传递到定子框架218，并且随后进一步传递到地217。

如在图2中可以看到的，发电机110的主要部分，例如定子布置结构112以及例如转子布置结构111的径向内部部分，在一个轴向端上被轮毂105和转子布置结构111收容，并且在另一轴向端上被接地系统113收容。定子布置结构112的轴向内端被称为非驱动端，接地系统113被附接到该非驱动端。

因此，形成收容定子布置结构112的法拉第笼（faradaycage）。该法拉第笼由轮毂105、转子布置结构111、特别是转子布置结构111的径向外侧以及接地系统113形成，使得可减小来自雷电流的电磁场，并且可最小化从定子布置结构112辐射的电磁场。

如在图2中可以看到的，外部转子布置结构111从定子布置结构112的第一轴向端延伸到定子布置结构112的相对的第二轴向端。此外，转子布置结构111与定子布置结构112的第二轴向端重叠。接地系统113被耦接到转子布置结构111的重叠部段。

此外，如在图2中可以看到的，示意性地图示了从叶片102到轮毂105以及到地217的导电连接。在雷电流被传递到地217之前，雷电流经由轮毂105、转子布置结构111通过接地系统113传递，并且从接地系统113传递到定子框架218、机舱103（或机舱103的一部分），并且最后传递到塔架。

图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的包括接地系统113的风力涡轮机100的剖面。风力转子104和发电机110也被示意性地示出。如从图3可以看到的，转子布置结构111在轮毂105和接地系统113之间延伸，使得定子布置结构112被轮毂105、转子布置结构111和接地系统113收容。布置在风力涡轮机100中的接地系统113包括布置在转子布置结构111处的第一接触元件214和布置在机舱处的第二接触元件215。该第一接触元件214包括电刷，并且该第二接触元件215包括网状元件。电刷214被布置在转子布置结构111处。特别地，电刷214被布置在转子布置结构111的径向内侧处。在网215处，可附接有金属环216，使得该金属环216被布置在电刷214和网状元件215之间。通过将金属环216布置在网状元件215处，电刷可沿金属环216滑动，以便形成滑动导电接触。

图4示出了处于机舱103内的发电机，该发电机包括外部定子布置结构112和内部转子布置结构111。转子布置结构111经由传动系106的轴来连接到轮毂105，使得转子布置结构111可在定子布置结构112内旋转。定子布置结构112包括定子框架218，其中，在定子框架218处附接有接地系统113，该接地系统113用于传递雷电流并且用于提供emf屏蔽。定子框架218被附接到机舱103。发电机110确实也在轮毂115和接地系统113之间延伸。如在图4中可以看到的，定子和转子布置结构111、112由定子框架218、在一个轴向端处由轮毂105并且在另一轴向端处由接地系统113收容。布置在风力涡轮机100中的接地系统113包括布置在转子布置结构111处的第一接触元件214和布置在定子框架218处的第二接触元件215。根据该实施例的第一接触元件214是电刷，并且第二接触元件215仅是网状元件。在网215处可附接有金属环216，使得该金属环216被布置在电刷214和网状元件215之间。在外定子内转子布置结构中，第二接触元件可包括电刷和网状元件。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

要注意的是，在本发明的另外的改进方案中，还可组合来自本文所述的不同的说明性实施例的特征。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。